基于電容傳感的手勢識別車載音頻系統

索朝舉 徐寧 劉靜波 沈沛雨 李泓鉑

摘 ?要：本文設計了一種采用FDC2214電容傳感芯片的手勢控制車載音頻系統，實現從上到下、從下到上、從左到右、從右到左等手勢的判定，其中上下揮動用以控制系統開關機，左右揮動用以調節音頻系統音量。系統包括FDC2214電容傳感模塊、音頻處理系統SC7313、電子開關以及MCU等部分。MCU通過IIC方式對FDC2214電容傳感模塊采集的四塊電容傳感板數據進行處理，進而控制SC7313音頻處理系統和電子開關，實現音量控制和開關機功能。其采用電容傳感方式實現手勢揮動識別，減少外界環境對識別裝置的影響且無須佩戴手持設備，增強了駕駛的安全性。

關鍵詞：電容傳感;手勢識別;車載音頻系統

中圖分類號：TP23;TP212 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0032-03

Gesture Recognition Vehicle Audio System Based on Capacitance Sensor

SUO Chaoju，XU Ning，LIU Jingbo，SHEN Peiyu，LI Hongbo

（School of Information and Communication Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing ?211167，China）

Abstract：A gesture control car audio system using FDC2214 capacitive sensor chip is designed to realize the gestures from top to bottom，bottom to top，left to right and right to left. The up and down wave is used to control the system switch，left and right to adjust the volume of the audio system. The system includes FDC2214 capacitive sensing module，audio processing system SC7313，electronic switch and MCU. The MCU processes the four capacitive sensing board data collected by the FDC2214 capacitive sensing module through the IIC method，thereby controlling the SC7313 audio processing system and the electronic switch to realize the functions of volume control and switching. This capacitive sensing method realizes gesture waving recognition，which reduces the influence of the external environment on the identification device and does not need to wear a handheld device，thereby increasing the safety of driving.

Keywords：capacitive sensing;gesture recognition;car audio system

0 ?引 ?言

目前手勢識別多媒體控制系統的實現大多借助數據手套、攝像頭、紅外等輸入設備，這些控制系統易受到電源、光線及電機等外界環境的影響[1]。

針對傳統手勢識別方法的不足，此系統采用TI公司推出的新型電容傳感芯片FDC2214組建手勢傳感系統。以FDC2214構建四通道傳感方式，檢測用戶手勢揮動后的傳感板電容變化量，實現手勢上下揮動控制音頻系統的開關機，左右揮動改變音量的大小，無須使用者佩戴手持設備，符合用戶使用習慣，增強了駕駛的安全性。

1 ?系統組成

如圖1（a）所示，此系統以STM32F103RCT6作為主控單元、FDC2214作為手勢識別傳感模塊、SC7313作為音頻音量控制模塊，其中FDC2214和SC7313通過IIC方式與MCU進行通信。圖1（b）是圖1（a）中FDC2214手勢識別傳感模塊的具體組成，其四個通道分別連接A、B、C、D四塊電容傳感板。當用戶做出相應手勢，A、B、C、D四塊電容傳感板的電容容量發生變化，MCU通過讀取FDC2214的電容變化量來判斷用戶的手勢變化。

當用戶做出上下手勢揮動后，MCU讀取A、B兩塊傳感板的變化數據，通過電子開關實現音頻系統的開關機，當用戶做出左右手勢揮動后，MCU讀取C、D兩塊傳感板的變化數據，通過控制SC7313，實現音頻系統音量的增加或減少。

2 ?FDC2214手勢識別傳感原理

FDC2214針對高分辨率（高達28位）進行了優化，采用L-C諧振器作為傳感器，通過電容數字轉換器（FDC）測量LC諧振器的頻率并輸出一個與頻率成正比的數值，可以將此頻率轉換為等效電容。

此處選用一塊FDC2214芯片連接四塊電容傳感板，如圖1（b）所示排列。現設定未加任何手勢和操作情況下t0時刻四塊電容傳感板的電容初始值分別為CA0，CB0，CC0，CD0，且每10ms自動更新。在一次手勢揮動過程中，t1時刻四塊電容傳感板的電容值為CA1，CB1，CC1，CD1，設定ΔCA=CA1-CA0，ΔCB=CB1-CB0，ΔCC=CC1-CC0，ΔCD=CD1-CD0。MCU通過分別記錄ΔCA，ΔCB，ΔCC，ΔCD出現最大值的時刻tAmax，tBmax，tCmax，tDmax，并對每次過程的tAmax，tBmax，tCmax，tDmax進行判斷，如表1所示。從而模擬出手勢揮動的軌跡，然后做出相應的控制指令，下發給電子開關或數字音頻音量控制芯片。

3 ?硬件設計

如圖2所示，FDC2214為TI公司推出的一種低功耗，低成本，高分辨率、抗電磁干擾強的非接觸式感應技術的電容傳感器，適用于各種不同的應用。窄帶架構可實現前所未有的抗電磁干擾能力，并大大降低噪聲。MCU通過IIC的方式與其連接，Sensor0—Sensor3為四塊排列好的電容傳感板，用以檢測手勢變化的電容量。

SC7313是一塊具有音量、音調（低音、高音）、平衡度（左、右）和響度（前、后）控制的音頻處理電路，MCU通過IIC串行總線實現對其的操控，適用于高品質的汽車收、放音機和高保真的音響系統。采用高性能的CMOS工藝技術，實現了低失真、低噪聲和低直流電平漂移。通過外接阻容網絡和內部運放的配合，可設置各種交流幅頻特性。MCU對電容傳感板變化數據進行處理，當檢測到手勢從左向右滑動時，下達指令增加音量，當檢測到手勢從右向左滑動時，下達指令減小音量。圖2中給出了SC7313的音頻輸入輸出接口，以及IIC與MCU的接口定義。FDC2214和SC7313掛在一組IIC接口總線上，MCU通過器件不同地址進行軟件配置和數據讀寫。

STM32F103RCT6是一款嵌入式微控制器集成電路，采用32位CortexTM-M3內核，CPU最高工作頻率為72MHz，具有256KB程序存儲器，48KRAM，51個輸入輸出引腳，3個12為數模轉換器，支持多種調試模式和通信接口，12通道DMA控制器，支持定時器、ADC、SDIO、IIS、SPI、IIC和USART外設[2，3]，完全滿足系統要求。

電子開關用于通過對音頻系統的通斷電實現開機和關機。電路中采用光耦與PMOS管的組合電路實現MCU的一個IO口控制音頻系統開關機[4]。SWITCH是MCU的IO口輸出信號端，SWITCH電平的高低作用于光耦，從而控制PMOS管柵源之間的電壓值，實現對系統開關機控制。當SWITCH為低電平時，光耦導通，從而PMOS管導通輸出，當SWITCH為高電平時，PMOS管截止，切斷音頻系統電源。

如圖3所示，FDC2214前端由LC諧振電路組成，后面跟著一個多路復用器，依次通過主動通道，并將它們連接到測量和數字化傳感器頻率（fSENSOR）的核心單元（Core）[5]。該內核使用參考頻率（fREF）來測量傳感器頻率。fREF來源于內部參考時鐘（振蕩器）或外部提供的時鐘。每個通道的數字化輸出值（DATAx）與fSENSOR/fREF成比例。IIC接口用于支持設備配置和傳輸數字化頻率值給主處理器（STM32F 103RCT6）。

4 ?軟件設計

MCU對FDC2214和SC7313以IIC方式進行數據讀寫。程序上電初始化讀取t0時刻四個通道電容值大小，之后每10ms對四個通道電容量進行讀取。若當前讀得電容值較上一次讀得電容值有所增大（即ΔCX>0），則用此狀態電容值替換上一個狀態電容值大小并記錄當前時間;若當前讀得電容值較上一次讀得電容值有所減小或者不變（即ΔCX≤0），則丟棄此次讀取的數值，由此可以記錄四個通道電容傳感板電容變化到最大值的時間tXmax。在四塊電容傳感板電容量都發生變化（即有相應手勢揮動）的情況下，對四個通道記錄的時間tXmax進行排列，如表1所示，然后MCU根據表1下達指令控制音頻系統開關機或音量增減;如若四塊電容板電容量未全發生變化（即無相應手勢揮動），則手勢揮動無效，MCU不做相應處理。

對FDC2214數據進行讀寫時，MCU通過讀取FDC2214的DATA_LSB_CHx寄存器得到數據的低16位、DATA_CHx寄存器得到數據高12位，將兩個數據合起來，即為相應的電容值數據。SC7313的音量配置寄存器格式為（00X XXXXX），SC7313對音頻音量的控制具有0～63（000 00000～00111111），共64個變化范圍，通常將0～63個變化范圍通過軟件設置為0～21級的控制量，然后MCU根據手勢識別判斷表1對SC7313相應寄存器進行配置，從而控制音量的增減。圖4為系統軟件流程。

5 ?結 ?論

此設計檢測不同方向手勢變化作用于FDC2214電容傳感板，系統讀取電容變化量的不同，實現對車載音頻處理系統的控制，極大地提高了識別的準確性，有效地避免了外界物理干擾及環境噪聲產生的不良影響。在人機交互方面，電容傳感式手勢控制車載音頻處理系統作為一種接近型傳感器，具有很大的應用前景，在汽車安全駕駛領域具有極大的應用價值和實踐意義。

參考文獻：

[1] 李云鶴.智能穿戴設備基于動態模板匹配算法的3D手勢識別 [J].物聯網學報，2019，3（1）：97-105.

[2] 郭書軍.ARMCortex-M3系統設計與實現——STM32基礎篇 [M].第2版.北京：電子工業出版社，2018.

[3] 張洋，劉軍，嚴漢宇，等.原子教你玩STM32（庫函數版） [M].第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[4] 胡宴如，耿蘇燕.模擬電子技術基礎 [M].第2版.北京：高等教育出版社，2010.

[5] 郭霞，譚亞麗，申淼.基于FDC2214的手勢識別系統 [J].傳感器與微系統，2018，37（12）：90-92.

作者簡介：索朝舉（1998-），男，漢族，江蘇宿遷人，本科，研究方向：電子技術應用。